防砂充填帶封隔堵劑的篩選與初評(píng)實(shí)驗(yàn)

孟祥?！￡愓鳌∴u明華　楊萬(wàn)有　藍(lán)飛　詹敏

摘????? 要：渤海油田普遍采用大段充填防砂完井，為了進(jìn)一步提高注水效果，需要把大段防砂段的充填帶進(jìn)行封隔，進(jìn)一步細(xì)分層系，便于實(shí)施精細(xì)分層注水。采用化學(xué)封隔堵劑是比較可行的、成本較低的方法，為此從強(qiáng)度和觸變特性出發(fā)，篩選了3種較為主流的化學(xué)封隔堵劑進(jìn)行對(duì)比分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，環(huán)空化學(xué)封隔器比較適合渤海油田的完井方式。從溫度、礦化度、剪切速率、強(qiáng)度4個(gè)因素考慮，對(duì)篩選出的環(huán)空化學(xué)封隔器進(jìn)行了進(jìn)一步的考察。結(jié)果表明：環(huán)空化學(xué)封隔器在60～110 ℃均可固化，固化時(shí)間在2 h以上，其固化特點(diǎn)基本不受礦化度的影響，且其具有良好的抗剪切能力，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，其強(qiáng)度可達(dá)4 MPa·m^-1，符合渤海油田的使用條件。

關(guān)? 鍵? 詞：渤海油田;充填帶;封隔堵劑;篩選;實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TQ 016?????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）06-1211-05

Selection and Preliminary Test for Blocking Agent at the Sand Control Section

MENG Xiang-hai¹， CHEN Zheng¹， ZOU Ming-hua²， YANG Wan-you²， LAN Fei¹， ZHAN Min²

（1. CNOOC （China） Co.， Ltd.， Tianjin Branch， Tianjin 300459， China;

2. CNOOC EnerTech-Drilling & Production Company， Tianjin 300452， China）

Abstract： Long packed section for well completion is widely used in Bohai oilfield. To improve the water injection effect， it is necessary to isolate the long packed section， so as to do the separate minelayer injection. The chemical blocking agent is a viable method to solve the problem with low cost. In this paper， based on strength and thixotropy， 3 main kinds of blocking agents were compared and screened out. Annular chemical packer was chosen for the well completion mode through the test. From four aspects of temperature， mineralization， shear rate and strength， the screened annulus chemical packer was further investigated. The results showed that the annular chemical packer could solidify between 60 ℃ to 110 ℃， and the solidifying time was more than 2 h. The solidifying capacity was not affected by the salinity， and it had well shear resistance. The strength reached 4 MPa·m^-1 in the simulation test. So the annular chemical packer is suitable for the service condition of Bohai oilfield.

Key words： Bohai oilfield; Packed section; Blocking agent; Selection; Test

渤海油田以注水開發(fā)為主，油氣產(chǎn)量自2010年開始已經(jīng)連續(xù)8年穩(wěn)產(chǎn)3 000萬(wàn)t，注水開發(fā)已成為渤海油田穩(wěn)產(chǎn)的基石。當(dāng)前，渤海油田部分老油田處于中高含水期，比如綏中36-1油田，是渤海油田油氣產(chǎn)量大戶，而其含水已經(jīng)接近80%。為此，渤海油田于2018年提出了“注水年”的開發(fā)策略，不僅“注好水、注夠水”，還要“精細(xì)注水”^[1-3]。

渤海油田屬于疏松砂巖油藏，采取大段防砂、籠統(tǒng)開采的開發(fā)模式，層間差異較大，防砂段內(nèi)存在若干小層，大段分層注水效果越來(lái)越差，為此需要對(duì)小層進(jìn)一步細(xì)分進(jìn)行配注，這是解決非均質(zhì)性油藏層間矛盾的最有效手段^[4]。要進(jìn)一步細(xì)分層系，需要在已有的防砂完井基礎(chǔ)上，在隔夾層的對(duì)應(yīng)的位置也即是篩管與套管的環(huán)空進(jìn)一步封隔。重新防砂進(jìn)行封隔小層的方法成本高，施工風(fēng)險(xiǎn)多，而通過(guò)在篩管與套管的環(huán)空采取化學(xué)藥劑封堵也是可行的^[5]，即在原有防砂完井的基礎(chǔ)上，通過(guò)注入化學(xué)堵劑，將化學(xué)堵劑固化在防砂管柱與套管之間，且化學(xué)堵劑的深度與隔夾層的位置形成對(duì)應(yīng)，這樣后續(xù)可以再進(jìn)一步進(jìn)行分層注水作業(yè)，為此本文對(duì)幾種化學(xué)封隔堵劑進(jìn)行了篩選，并對(duì)篩選出的化學(xué)封隔堵劑進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)。

1 ?封隔堵劑的適用性分析

渤海油田典型的完井防砂圖如圖1所示（除堵劑外），假設(shè)分為3個(gè)防砂段，第二防砂段存在隔夾層，這樣在實(shí)施注水作業(yè)時(shí)，最多只能分3段注入。為了精細(xì)注水，可以在隔夾層的位置置入化學(xué)堵劑，當(dāng)化學(xué)堵劑固化后，人為形成4個(gè)防砂段，這樣可以分4大段實(shí)施分層注水

結(jié)合渤海油田的實(shí)際情況，對(duì)化學(xué)堵劑提出幾條基本要求以便進(jìn)行初步篩選與評(píng)價(jià)：①?gòu)?qiáng)度，渤海油田一般層間壓差小于4 MPa，假設(shè)堵劑長(zhǎng)度與單根篩選相當(dāng)（約10 m），則要求堵劑強(qiáng)度為0.4 MPa·m^-1;②觸變性，渤海油田絕大部分為定向井，井斜在30°～60°，良好的觸變特性能有效避免堵劑在泵注結(jié)束后向篩管內(nèi)回流，使充填更加有效;③抗剪切能力，尤其是堵劑經(jīng)過(guò)篩管的縫隙為高強(qiáng)度剪切;④抗溫性，渤海油田注水井的溫度一般在60～90 ℃，堵劑需要滿足此溫度下的使用條件;⑤耐鹽性，渤海油田地層水礦化度一般在6 000～12 000 mg·L^-1，堵劑需要滿足此礦化度下的使用條件。

2? 封隔堵劑的篩選

由于封隔堵劑的核心性能要求為強(qiáng)度及觸變特性，這兩項(xiàng)指標(biāo)一般后期難以大幅度改善，為此先從這兩個(gè)性能指標(biāo)較好的堵劑中進(jìn)行篩選，然后再進(jìn)行其他性能的評(píng)價(jià)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究及應(yīng)用情況^[6-9]，依據(jù)強(qiáng)度，選擇了炮眼封堵樹脂及環(huán)空化學(xué)封隔器材料，依照觸變特性選擇了觸變水泥及環(huán)空化學(xué)封隔器，主要性能參數(shù)如表1。

2.1? 固化性能對(duì)比

主要對(duì)比了油藏條件下，與陶?；旌虾蟮墓袒阅?。

20～40目陶粒（0.45～0.90 mm）水洗后，分別將堵劑（封堵樹脂、環(huán)空化學(xué)封隔器）與陶?；旌希w積比1∶1），70 ℃下固化后觀察。環(huán)空化學(xué)封隔器能與陶粒很好的固化在一起，而樹脂雖然強(qiáng)度較高，但黏度低，結(jié)合能力弱，樹脂與陶粒易分離，見圖2左邊玻璃瓶。因此，環(huán)空化學(xué)封隔器相比樹脂更適合作為封隔堵劑，見圖2右邊玻璃瓶。

2.2? 觸變性能對(duì)比

將觸變水泥（水灰比1∶3.5）、環(huán)空化學(xué)封隔器分別注入實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置為透明可見，內(nèi)置小管，外套大管，小管與大管之間充滿水，觀察觸變水泥和環(huán)空化學(xué)封隔器的分布狀態(tài)。如圖3（b）所示，由于觸變水泥密度相對(duì)較大、觸變性能較弱，發(fā)生了“重力坍落”現(xiàn)象，不利于堵劑在環(huán)空中的均勻充填。而環(huán)空化學(xué)封隔器預(yù)聚體則很好的充填了小管與大管的環(huán)形空間（圖3a）。以觸變性能作指標(biāo)，環(huán)空化學(xué)封隔器相比觸變水泥更適合作為封隔堵劑。

綜合考慮固化及觸變特性，初步篩選了環(huán)空化學(xué)封隔器作為封隔堵劑。

3? 封隔堵劑的固化特性分析

以環(huán)空化學(xué)封隔器作為封隔堵劑，對(duì)其做了溫度、礦化度、剪切速率、強(qiáng)度方面的實(shí)驗(yàn)與分析，以初步判斷是否符合渤海油田的使用要求。

3.1? 溫度對(duì)固化的影響

渤海油田注水井的溫度一般在60～90 ℃，需要判斷在此溫度下，環(huán)空化學(xué)封隔器是否能很好固化，并具備相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)方法：本實(shí)驗(yàn)中固化時(shí)間的確定采用觀察法，將樣品于不同溫度水浴或烘箱中，溫度分別為60、70、80、90、110 ℃，每隔1 h觀察固化狀態(tài)，以確定固化時(shí)間;固化樣品的強(qiáng)度利用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)試，其原理為定速對(duì)樣品施加壓力，測(cè)試其反彈力直至樣品破壞、反彈力迅速降低，以此比較固化后的強(qiáng)度。

結(jié)果及分析：如圖4所示溫度在60～110 ℃，2 h以上環(huán)空化學(xué)封隔器都能固化，同一固化時(shí)間，其固化后的強(qiáng)度差別不大，初步判斷，環(huán)空化學(xué)封隔器適合渤海油田的溫度條件，且固化時(shí)間滿足現(xiàn)場(chǎng)操作要求。

3.2? 礦化度對(duì)固化的影響

渤海油田地層水礦化度一般在6 000～12 000 mg·L^-1，因而對(duì)堵劑耐鹽型能要求苛刻。為客觀評(píng)價(jià)環(huán)空封堵劑封堵體系在不同礦化度條件下的固化性能，使用NaCl和CaCl₂配置了不同濃度的模擬鹽水，NaCl質(zhì)量濃度分別為2%、5%和10%，CaCl₂的質(zhì)量濃度為0.2%。

為了直觀考察不同礦化度條件下堵劑的變化，使用復(fù)合防砂網(wǎng)模擬篩管，將環(huán)空化學(xué)封隔器裝入上述裝置中，而后將該裝置浸泡在一定礦化度的鹽水中，待其固化后取出篩網(wǎng)，觀察封堵固化效果。

圖5為在不同礦化度條件下環(huán)空化學(xué)封隔器固化后的實(shí)物效果圖。由圖5可以看出，不同礦化度條件下環(huán)空化學(xué)封隔器的固化狀態(tài)差別不大，且與篩網(wǎng)形成了較好的黏附效果。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明環(huán)空化學(xué)封隔器具有很好的耐鹽性能，能夠在高礦化度條件下穩(wěn)定固化。這是由于堵劑為本體成膠，且其具有較強(qiáng)的剪切變稀、靜置增稠性能;當(dāng)其靜置時(shí)，其黏度急劇升高，且?guī)缀醪痪哂辛鲃?dòng)性，因而外部的流體如鹽水很難進(jìn)入堵劑內(nèi)部，故礦化度的變化對(duì)堵劑固化性能無(wú)明顯影響。

3.3? 剪切速率對(duì)固化性能的影響

實(shí)驗(yàn)方法：分別將環(huán)空化學(xué)封隔器在1 000 s^-1和7 000 s^-1的剪切條件下剪切30 min，密封后置于70 ℃下待其固化，測(cè)試其在不同時(shí)間時(shí)的彈性模量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析：如圖6所示70 ℃下，在150 min時(shí)，1 000 s^-1和7 000 s^-1剪切條件下的環(huán)空化學(xué)封隔器均開始發(fā)生固化。固化強(qiáng)度差別不大，基本保持在30 kPa左右。即剪切不影響其固化時(shí)間及固化后的強(qiáng)度。

為進(jìn)一步探究剪切對(duì)環(huán)空化學(xué)封隔器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，利用掃描電鏡觀察了兩種剪切條件下環(huán)空化學(xué)封隔器固化后的微觀結(jié)構(gòu)，如圖7所示。電鏡圖片顯示，當(dāng)剪切速率分別為1 000和7 000 s^-1時(shí)，環(huán)空化學(xué)封隔器固化后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾乎不變，說(shuō)明剪切并未對(duì)其結(jié)構(gòu)性能造成影響。這是由于環(huán)空化學(xué)封隔器為一種特殊的具有強(qiáng)觸變性的流體，主要由小分子材料組成，不包含高分子結(jié)構(gòu)，因此剪切并不影響其觸變特性及固化特征，堵劑因此體現(xiàn)出了抗剪切性質(zhì)。

3.4? 強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

渤海油田注水井的溫度一般在60～90 ℃，需要判斷在此溫度下，環(huán)空化學(xué)封隔器是否能很好固化，并具備相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。

3.4.1裝置與材料

實(shí)驗(yàn)材料包括模擬水、環(huán)空化學(xué)封隔器，其中模擬水由自來(lái)水以及質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaCl和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的CaCl₂組成。

實(shí)驗(yàn)裝置為試壓工裝和注入裝置，注入裝置可提供環(huán)空化學(xué)封隔器的注入動(dòng)力，實(shí)驗(yàn)工裝如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)工裝包括套管、防砂篩管、注入管、密封頭等，1^# 孔、2^# 孔、3^# 孔、4^# 孔、5^# 孔均配有堵頭。套管采用F139.7 mm的套管，防砂篩管采用F73 mm的油管加工，最外層為繞絲結(jié)構(gòu)，見圖9。防砂篩管與套管之間環(huán)空采用40目（0.45 mm）的陶粒進(jìn)行充填，環(huán)空充填帶的長(zhǎng)度為1 000 mm，充填帶采用模擬鹽水進(jìn)行飽和。

3.4.2 ?過(guò)程與結(jié)果

將飽和水的試壓工裝進(jìn)行試壓，試壓至20 MPa，穩(wěn)壓10 min，確定試壓工裝符合實(shí)驗(yàn)要求。然后將試壓工裝通過(guò)管線連接注入裝置，注入管線接入1^#孔，試壓工裝上密封頭上的2^# 孔、3^# 孔、4^# 孔、5^#孔打開，啟動(dòng)注入裝置，堵劑由1^# 孔進(jìn)入注入管，由于設(shè)置了注入管密封和密封堵，堵劑只能由篩管進(jìn)入防砂篩管與套管的環(huán)形空間，當(dāng)觀察到堵劑分別由2^# 孔、3^# 孔、4^# 孔、5^# 孔流出，則停止注入堵劑。之后，將試壓工裝靜置約12 h，然后進(jìn)行試壓。試壓過(guò)程及結(jié)果如下所述。

連接好試壓工裝，開電動(dòng)試壓泵進(jìn)行打壓。首先，由環(huán)空從左向右打壓，試壓管線接入2^# 孔，打開4^#、5^# 兩孔，關(guān)閉1^#、3^# 兩孔。打壓4 MPa，穩(wěn)壓無(wú)泄漏;繼續(xù)打壓至8 MPa，穩(wěn)壓無(wú)泄漏;打壓至10 MPa，有輕微壓降，壓降至9.5 MPa平穩(wěn)，無(wú)泄漏;打壓至12 MPa，有輕微壓降，壓降至11 MPa平穩(wěn)，無(wú)泄漏;打壓至15 MPa，有輕微壓降，壓降至14 MPa平穩(wěn)，無(wú)泄漏。然后，試壓管線接入3^#孔，打開4^#、5^# 兩孔，關(guān)閉1^#、2^# 兩孔。打壓5 MPa，穩(wěn)壓無(wú)泄漏;打壓至10 MPa，有輕微壓降，壓降至9 MPa平穩(wěn)，無(wú)泄漏;打壓至15 MPa，有輕微壓降，壓降至13.5 MPa平穩(wěn)，無(wú)泄漏。然后，由環(huán)空從右向左打壓，打壓裝置接入試壓4^# 孔，打開1^#、2^#、3^#、5^# 孔，在壓力達(dá)到4 MPa時(shí)未發(fā)現(xiàn)滲漏，繼續(xù)打壓至5 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，有略微壓降;打壓10 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，壓降至6 MPa，隨后無(wú)壓降;打壓12 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，壓降至6 MPa，之后無(wú)壓降;打壓15 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，壓降至6 MPa，之后無(wú)壓降;打壓裝置接入下試5^#孔，打開1^#、2^#、3^#、4^# 孔，打壓5 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，有略微壓降;打壓10 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，壓降至6 MPa，穩(wěn)壓;打壓15 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，壓降至6 MPa，穩(wěn)壓。

如圖10所示剖開試驗(yàn)工裝后，未發(fā)現(xiàn)明顯的微滲通道，封堵劑與陶粒膠結(jié)較為均勻，未發(fā)現(xiàn)陶粒散落，兩者固結(jié)后可用工具分段切開，說(shuō)明堵劑與陶粒固結(jié)較好。另外，由于試壓工裝設(shè)計(jì)為可拆除式，而拆除過(guò)程發(fā)現(xiàn)堵劑、陶粒、套管、篩管之間難以轉(zhuǎn)動(dòng)拆開，只能通過(guò)切割套管拆除，為此分析堵劑、陶粒與管壁能很好地固結(jié)在一起。

3.4.3 ?分析

無(wú)論是從試壓結(jié)果還是試壓工裝拆解結(jié)果看，堵劑與陶粒、管壁固結(jié)較好，從左向右或從右向左試壓來(lái)看，長(zhǎng)度為1 m的環(huán)空試壓最低可達(dá)4 MPa。另外，從左向右試壓和從右向左試壓，出現(xiàn)滲漏的壓力并不一致，一是有可能試壓工裝兩端的填砂均勻不一致所導(dǎo)致，也有可能是堵劑在環(huán)空的充填不均勻，或者兩者都有。此試壓實(shí)驗(yàn)初步判斷了所篩選的堵劑滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)堵劑強(qiáng)度的要求。

4? 結(jié) 論

根據(jù)渤海油田防砂段充填帶的封隔的需求，依據(jù)堵劑固化強(qiáng)度和觸變特性，篩選了幾種常用的化學(xué)堵劑作為封隔堵劑，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比分析，初步選擇了一種基本性能滿足封堵需求的堵劑，并通過(guò)4個(gè)關(guān)鍵要素對(duì)堵劑的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，初步驗(yàn)證其性能可滿足渤海油田防砂充填帶封隔的需求。

1）對(duì)比了3種相對(duì)適合充填帶封隔的堵劑，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，在3種堵劑中，環(huán)空封隔器預(yù)聚體是更適合渤海油田需求。

2）結(jié)合渤海油田的實(shí)際情況，通過(guò)固化溫度、礦化度、剪切速率3種因素初步對(duì)篩選出的環(huán)空封隔器預(yù)聚體進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其性能滿足渤海油田應(yīng)用條件。

3）通過(guò)模擬渤海油田的完井和防砂充填情況，對(duì)篩選出的環(huán)空封隔器預(yù)聚體進(jìn)行了強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，其強(qiáng)度可達(dá)到4 MPa·m^-1，符合渤海油田充填帶層間封隔的要求。

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